– 34 – 
4.3 Этапы развития астрофизики
.
Какие этапы в своем развитии прошла наиболее динамичная наука XX века астрофизика, изучающая вселенную и строение небесных тел? В 1931 году родилась радиоастрономия, которая наиболее интенсивное развитие получила в начале второй половины XX века. В 1962 году возникла рентгеновская астрономия. В конце века – гамма и нейтринная астрономии (установки для приема космических нейтрино и нейтринные телескопы) и гравитационно-волновая астрономия. Все телескопы функционируют по принципу приема космического сигнала, в силу чего важнейшую роль в исследовании космического пространства играет размер антенны и ее местоположение относительно земной атмосферы, которая, за исключением радиосигнала, рассеивает приходящий из космоса сигнал. Вывод приемных антенн за пределы атмосферы позволил значительно расширить возможности исследователей. Так, если вывести в космос обсерваторию с 10-тиметровым радиотелескопом, то разрешающая способность человеческого глаза усилится в миллионы раз.
Десятки стран мира участвуют в изучении Вселенной. Наиболее известные обсерватории для изучения космического пространства – это большие обсерватории НАСА, оптический телескоп Хаббл, инфракрасный телескоп Спитцер, космическая рентгеновская обсерватория Чандра, гамма-обсерватория Комптон, самые большие в мире радиотелескоп РАТАН-600, радиолокатор Аресибо, США. Крупные наземные оптические телескопы-обсерватории – это телескопы KECK I и KECK II с диаметром зеркала 10 метров, расположенные на Гавайях США, 11-тиметровый телескоп SALT Южно-Африканской Республики. Европа возводит телескоп с диаметром зеркала 42 метра. Строятся телескоп ELT с диаметром зеркала 28 м в США, 100-метровый телескоп OWL совместной разработки Германии, Швеции, Дании и других стран, крупнейший в мире телескоп со сферическим отражателем FAST и с 500-метровой апертурой в Китае. Крупнейший в мире оптический наземный телескоп VLT (The Very Large Telescope), который состоит из главного зеркала диаметром 8.2 метра и четырех подвижных вспомогательных телескопов, разработан в Европе.
Какими путями шло развитие астрофизики? В 1912 году были открыты падающие на Землю из космического пространства низко энергетические космические лучи. Они представляют собой заряженные частицы, состоящие преимущественно из протонов. Наша планета атакуется ими равномерно (изотропно) с разных сторон. Спектральный анализ показывает, что они порождены первыми 25-тью химическими элементами, атомная масса которых меньше атомной массы железа (Fe). По оценке ученых наблюдаемая масса всех химических элементов Вселенной состоит приблизительно из ¾ водорода, ¼ гелия и лишь порядка одного процента всех прочих элементов. Но вплоть до сегодняшнего дня их происхождениe остается загадочным и до конца необъяснимым. Исследователями были обнаружены движущиеся с около световой скоростью и попадающие в земную атмосферу высоко энергетические лучи, обладающие гигантской по меркам ядерной физики энергией – порядка 40 ÷ 300 Ээв (эксаэлектрон-вольт 1018). С открытием неравномерности их распределения по небу (анизотропии), наиболее вероятными претендентами на роль прародителей таких лучей стали по мнению ученых черные дыры галактик с активными ядрами (квазарами), излучающими огромную энергию.
За последние десятилетия XX века, благодаря использованию внеземных телескопов, в исследовании Вселенной были открыты такие космические объекты, как:
– внегалактические источники электромагнитного излучения – квазары;
– рентгеновские источники, нейтронные звезды;
– реликтовое излучение Вселенной;
– ускоренное расширение Вселенной;
– пульсары;
– мазеры;
– сотни экзопланет.
Как известно, нейтрон, который является составной частью ядра любого атома, был открыт английским физиком Дж.Чедвиком в 1932 году. И вскоре была высказана гипотеза о существовании нейтронных звезд, пульсаров и сверхновых звезд. С созданием рентгеновской астрономии стало доступным наблюдение и изучение одиночных и двойных нейтронных звезд громадной плотности – этих удивительных образований с массой, близкой к массе Солнца, но меньшим примерно в 60 тысяч раз диаметром и вращающихся со скоростью более 600 оборотов в секунду.
В 1967 году астрономы Кембриджского университета Д.Белл и Э.Хьюиш, испытывая новый радиотелескоп, впервые зафиксировали космический источник периодических излучений в радиодиапазоне 85.7 МГц (длине волны 3,5 м), который был назван радиопульсаром. За это открытие Э.Хьюиш в 1974 году получил Нобелевскую премию. Позднее были открыты пульсары и на других диапазонах частот – радио, оптического, рентгеновского и гамма излучений. Пульсар представляет собой вращающуюся нейтронную звезду с исходящими из полюсов двумя узконаправленными потоками излучений. В результате вращения звезды ее поток излучения периодически через равные промежутки времени пересекает нашу планету. Сегодня известны уже тысячи пульсаров, вращающиеся в диапазоне от 640 оборотов в секунду (и соответственно передающихся на Землю импульсов излучений), до 12 оборотов в минуту. Ближайшие к нам пульсары расположены на расстоянии 390 световых лет.
Какова природа пульсаров? Речь идет об эволюции небольших звезд, гелиевое ядро которых выгорело, а ее оболочная структура под действием сил гравитации, как яичная скорлупа, “схлопнулась” вовнутрь. В результате схлопывания протоны превратились в нейтроны и, в конечном итоге, образовалась нейтронная звезда, в центре которой сформировалась черная дыра.
В 1960 году были открыты самые далекие, самые таинственные, самые загадочные и самые яркие объекты во Вселенной – квазары (от английского quasar – сокращение от Quasi stellar radio source – похожий на звезду радиоисточник). В основном, это внегалактические объекты, которые эквивалентны свечению миллиардов звезд, излучающие энергии в сотни и тысячи раз больше, чем самые мощные галактики. Источник такой энергии должен быть намного эффективней, чем термоядерный синтез звезд. Как показали наблюдения, большинство квазаров находятся вблизи огромных эллиптических галактик и по сути является черной дырой, на которую падает вещество, вызывая излучения, в том числе жесткое рентгеновское. Огромные струи–джеты элементарных частиц и гамма-излучений, исходят из полярных областей ядра. На сегодня таких объектов насчитывается порядка 200,000. Ближайший к нам квазар 3C273 не превышает размеры нашей Солнечной системы и находится от Земли на расстоянии около 2 миллиардов световых лет. Источник энергии квазаров не известен, как и не понятен физический процесс, обеспечивающий выделение громадной энергии в столь малом объеме.
В 1964 году Р.Пензиасом и А.Вильсоном был открыт космический океан света изотропно (равномерно) распределенный во все стороны Вселенной. Это некий реликтовый (от латинского relictum – остаток) фон, являющийся основной составляющей излучения неба с температурой 2,7 К. Он фактически отражает плотность энергии во всей Вселенной, а также плотность частиц света, которая оценочно составляет около 400 фотонов в одном см3 и порядка 100 миллионов фотонов на один атом вещества. В силу своей изотропности реликтовое излучение можно рассматривать как некий базис – своеобразную систему координат или вселенскую матрицу, относительно которой можно определить скорости движения всех космических объектов – планет, звезд и образуемых из них структур. После того, как было открыто реликтовое излучение, началось активное развитие космологии. Благодаря ему было вычислено, что Солнце движется в космическом пространстве вокруг центра Галактики со скоростью ≅ 220 км/cек. Безусловно, в силу близости Солнца к нашей планете его изучению придается особое значение, что позволяет глубже понимать процессы, идущие и в удаленных на громадные расстояния от нас звездах.
